全 文 ：第 v{卷 第 w期
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林 业 科 学
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酚醛树脂处理杨树木材物理力学性能测试
刘 君 良 江 泽 慧
k中国林业科学研究院木材工业研究所 北京 tsss|tl
孙 家 杰
k北华大学 吉林 tvusttl
关键词 } 酚醛树脂 o杨木 o密度 o强度
收稿日期 }usss2sw2t{ ∀
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Κεψ ωορδσ} °ƒ µ¨¶¬±o°²³¯¤µ¯ ∏°¥¨µo⁄¨ ±¶¬·¼o≥·µ¨±ª·«
随着天然林保护工程的实施 o高质量大径级的原木将会越来越少 o取而代之的是速生丰产人工林 ∀
这些木材存在着一个共同的弱点是材质软 !密度低 !工艺性能差 o杨木 !杉木等表现更加突出 ∀通过垂直
于纹理方向压缩使软质木材密度明显提高的表面压密材可以达到上述目的 o但是众所周知 o木材是粘弹
性材料 o当施加外力时 o发生变形 o外力撤除后 o弹性恢复 ∀因此寻求一种既能固定压缩变形又能降低或
减少环境污染的新方法 !新技术 o显得十分必要 ∀
早在 t|xt年 o≥·¤°°等人用水溶性酚醛树脂浸渍处理单板 o获得增重率为 ux h ∗ vs h o然后单板干
燥 !压缩使密度达到 tvss ∗ twss ®ª#°pv ∀t||t年 o井上雅文等对软质针叶树材进行表面压密化处理 o当
树脂浓度为 ts h ∗ tx h时压缩变形几乎完全被固定 o尺寸稳定性得到明显改善 ∀t||v年 o井上雅文等
使用三聚氰胺甲醛树脂固定木材压缩变形 o取得较好效果 ∀近年来 o我国学者在木材功能性改良和固定
木材压缩变形等方面也做了大量工作k王婉华等 ot|{t ~尤纪雪 ot|{{ ~余权英等 ot||x ~方桂珍等 ot||z ~
t||y ~刘君良等 ot||{l ∀本文采用水溶性低分子量酚醛树脂处理 o固定木材横纹压缩变形 o既解决了树
脂渗透难问题 o又减少环境污染 o降低成本 o对杨树木材的高效利用提供理论依据 ∀
1 实验材料和方法
t1t 实验材料 实验所用树种为大青杨k Ποπυλυσ υσσυριενσισl ot||y年采自吉林省蛟河市吉林林学院蛟
河实验林场 ∀树种采集和试件加工按照国家标准 Š…t|u|2ws2|t进行 ∀样木为 x株 o平均树龄 uv ¤o平均
树高为 tt1w ° o平均胸径 t{ qw¦° o气干密度为 v|u ®ª#°pv o平均年轮宽度 v1wz °°∀本实验所用的水溶
性低分子量酚醛树脂是吉林化学工业公司生产的工业苯酚和哈尔滨正阳河刨花板厂生产的工业甲醛
kvy q| h l o在氢氧化钠k分析纯l作用下以摩尔比 tΒu1tΒs1t进行合成 ∀树脂质量指标如下 }分子量分布
在 uss ∗ wss之间所占的比例为 |{ qv h ∀树脂固体含量为 w|1{ h ~游离酚含量为 s1ty h ~游离醛含量为
s1tw h ~可被溴化物含量为 tx qx h ~粘度为 { q{ °³¤#¶~³‹值为 | quv ~水混和倍数为  x ∀
t qu 实验方法 浸渍处理 将水溶性低分子量酚醛树脂配制成 x h !ts h !tx h !us h !vs h和 ws h浓度
的树脂液 ∀配制时加入适量的乙醇 o以增加树脂溶解性 ∀将加工好的试件抽真空 o注入药液 o浸泡 ts
°¬±o加压 ∀取出试件 o再进行二次真空 o气干至含水率为 t{ h ∗ us h ∀
表面密实化 首先将浸渍处理后并充分气干的木材试样放在热压机上 o然后压缩 !加热 !定型
ktxs ε ∗ t{s ε !ts ∗ us °¬±l o得到表面压密木材 ∀由厚度规控制压缩厚度 o试件的压缩率分别为 tt h !
us h !vv h和 xs h ∀
表面密实化木材密度检测 利用 ÷2射线衍射仪k⁄p °¤¬v…型l改装而成的木材密度计进行测量 ∀
在压缩后的木材试件≈us °°k• l ≅ us °°k×l ≅ vxs °°kl 的中部 o截取 v °°厚的薄片 o每个压缩率的
木材试件取 x个薄片 o然后用 ÷ p射线衍射仪进行密度检测 ∀根据以下公式计算木材密度 Θ
Θ € tΛ3 # τ¯ ±
Ιs
Ι
式中 }Ιs 为 ÷ 射线的初始强度 ~Ι 为测试时的强度 ~τ为木片的厚度 ~υ 3 是与 ÷ 射线波长以及物质种类
有关的常数 o称吸附系数 o本次实验 υ 3 € y q|yx ∀
表面压密材材色分析 采用 ≠± p  p w{„白度2颜色测定仪测出 Λ3 α3 β 3 标准色度学表色系统参
量 ∀然后采用佐道健的方法进行色空间测色值向孟塞尔色空间的转换 o以便直观地表示出颜色变化 ∀
表面密实化木材力学性能指标检测 根据国家标准 Š…t|vx p |t oŠ…t|vz p |t和 Š…t|vy qu p |t分
别对不同压缩率的木材顺纹抗压强度 !抗弯强度和抗弯弹性模量进行检测 ∀表面硬度试件规格为 us
°°k• l ≅ us °°k×l ≅ vs °°kl ∀非标准压头 o压头直径为 w qs °°∀采用布氏硬度计算方法 o直径为 w qs
°°的钢球压一半于木材中 o测其所需要的力 ∀压入深度由电接触式开关控制 ∀当压痕深度达到预定
深度时 o电接触式开关控制的指示灯接通 o此时停止加荷 o迅速读取数值k该装置由东北林业大学木材力
学实验室设计l ∀按下式计算硬度 Ρ }
Ρ €
hΠ
Α
式中 } hΠ为载荷 ~Α为压入木材的钢球面积 ∀
2 结果与讨论
u qt 表面压密材密度检测 用 ÷2射线衍射仪改装成的木材密度计对不同压缩率的 °ƒ预聚物浸渍处
理的表面压密材的密度值及密度分布进行测量 o结果如图 t !图 u所示 ∀
图 t 杨木素材密度及密度分布
ƒ¬ª1t ׫¨ §¨±¶¬·¼ §¬¶·µ¬¥∏·¬²± ²©∏±·µ¨¤·¨§³²³¯¤µ
从图 t可以看出杨木素材的最高密度和最高密度分布范围 o经过木材密度计测量 o结果如下 }最高
密度k晚材部分l为 xus ®ª#°pv o最低密度k早材部分l为 vts ®ª#°pv o平均密度为 wtx ®ª#°pv ∀该密度值
与烘干法测得的密度值相近 ∀同理 o从图 u可以看出压密后的木材密度分布 o计算结果为 }当木材的压
缩率为 tt h时 o表层 t °°处密度值约为 xzs ®ª#°pv o从表层向内层密度逐渐减小 ∀其平均值为 wxu ®ª#
°pv ∀当压缩率为 us h时 o表层 v °°之内 o木材的密度值为 x{| ®ª#°pv o整个宽度上密度分布比较均
匀 o内层密度为 vzy ®ª#°pv o同素材相比提高 tz qx h ∀当压缩率为 vv h时 oy至 { °°处压缩比较均匀 o
密度值在 {ss ∗ tsss ®ª#°pv ∀当压缩率为 xs h时 o最高密度为 twus ®ª#°pv o最低密度为 zus ®ª#°pv o平
zzt 第 w期 刘君良等 }酚醛树脂处理杨树木材物理力学性能测试
图 u 不同压缩率的表面压密材密度分布
ƒ¬ª1u ׫¨ §¨±¶¬·¼ §¬¶·µ¬¥∏·¬²± ²©¶∏µ©¤¦¨ ¦²°³µ¨¶¶¬√¨ º²²§²©§¬©©¨µ¨±·¦²°³µ¨¶¶¬²± ¶¨·
t !u !v !w }压缩率分别为 tt h !us h !vv h !xs h ∀
t !u !v !w °¨ ¤±·«¨ ¦²°³µ¨¶¶¬²± ¶¨·¬¶tt h !us h !vv h ¤±§xs h µ¨¶³¨¦·¬√¨ ¼¯ q
均密度为 tt{s ®ª#°pv ∀因此 o随着压缩率的增加 o木材密度明显增大 o当压缩率为 xs h时 o同素材相比 o
木材密度提高近 u倍 ∀
u1v 表面压密材材色分析 为了分析热压时间和酚醛树脂浸渍处理对木材材色的影响 ∀测量处理前
后木材的材色 o并同素材进行比较 o每个样本取 ts个试件 o每个试件测 v次 o取平均值作为该样本测试
值 o具体指标见表 t ∀
从表 t可以看出 o杨木素材孟塞尔色空间的色调标号值为 { qxx≠• o当压缩率为 us h o热压时间为 vs
°¬±时 o随着树脂浓度的增加 o孟塞尔色空间的色调标号值增加 o其平均值为 |1zv≠• ∀当压缩率为
xs h o热压时间为 ys °¬±时 o随着树脂浓度的增加 o孟塞尔色空间的色调标号值增加 o其平均值为
t1ts≠ ∀处理材同素材相比 o黄蓝轴色品指数 ¥3 增大 ∀当树脂浓度一定时kus h l o热压时间长 o木材颜
色变深 ∀热压时间 ys °¬±的孟塞尔色空间的色调标号值kt1z≠l比 vs °¬±k| q|y≠• l的高 ∀总体来说 o表
面压密材材色向黄转变 o但转变幅度不大 ∀
u1w 表面压密材力学性能 表面压密材顺纹抗压强度 o抗弯强度和抗弯弹性模量检测 根据国家标准
Š…t|vx p |t oŠ…t|vz p |t和 Š…t|vy qu p |t分别对不同浓度 o不同压缩率的木材顺纹抗压强度 o抗弯强
度和抗弯弹性模量进行检测 ∀其结果见图 v ∀
从图 v可以看出 o对于没有压缩的木材而言k压缩率 s h l o随着树脂浓度的增加 o木材的顺纹抗压
强度增加 ∀当树脂浓度为 us h时 o其顺纹抗压强度增加 zx qu h o但是抗弯强度和抗弯弹性模量不论树
脂浓度高低均有些下降 o经过计算 o下降幅度分别在 ts h和 tv h左右k可能是酚醛树脂引入木材后 o使
得木材变脆l ∀经过压缩的木材 o随着压缩率的增加 o木材顺纹抗压强度明显增大 o当压缩率为 xs h时 o
其顺纹抗压强度几乎增加 t倍 ∀经过压缩后的木材 o弹性模量和抗弯强度增大 ∀计算得出 o当压缩率为
us h时 o抗弯强度增加 vv1x h o弹性模量增加 | qu h o当压缩率为 xs h时 o抗弯强度增加 tsx1{ h o弹性模
{zt 林 业 科 学 v{卷
量增加 wv1{ h ∀
表面硬度实验测试结果表明 o随着压缩率的增加 o表面硬度明显增大 o当压缩率为 ts h时 o硬度增
加 t倍 o当压缩率为 us h时 o硬度增加 t1x倍 o当压缩率为 xs h时 o硬度增加 v倍 ∀随着树脂浓度的增
加 o硬度值有所增加 o但增加幅度不大 o如图 v所示 ∀
表 1 不同处理条件木材表面材色变化 ≠
Ταβ . 1 Τηε χηανγε οφ χολορ οφσυρφαχε ωοοδ οφ διφφερεντ τρεατµεντ χονδιτιονσ
编号
‘²q
÷≠色空间
÷≠ ¦²¯²µ¶³¤¦¨
3 ¤3 ¥3 色空间
3 ¤3 ¥3 ¦²¯²µ¶³¤¦¨
孟塞尔色空间
∏±¶¨¯¯ ¦²¯²µ¶³¤¦¨
÷ ≠  ¬ ¼ 3 ¤3 ¥3 „ª3 ≤ 3 ∂ ≤ ‹
t xy1x yu1w vw1v s1vz s1wt z|1yz w1vu tw1| zu1v us1w z1xt w1|v {1xx≠ •
u vy1y vy1{ uu1t s1v{ s1v{ yz1t v1zy ux1u yz1t tz1{ y1xz w1sv |1vv≠ •
v wx1v uw1{ vu1y s1w s1ux xy1| v1ux ux1u xv1{ tx1{ y1x{ v1uv |1ww≠ •
w vw1x vt1{ vs1w s1vy s1vv yv1u t1x{ tw1y zw1{ us1w z1ux w1vy |1{x≠ •
x xs1t xu1t v{1v s1vy s1vz zz1v u1|s t|1t {w1v t|1u y1x| u1z{ |1|v≠ •
y xs1s xt1t v{1s s1vy s1vz zy1z w1uu t{1w zz1t t{1| y1xx u1{| |1|y≠ •
z wv1t ww1u u{1w s1vz s1v{ zu1w v1x{ uv1| {t1x uw1u y1s| v1yv s1v|≠
{ yu1z vx1y vw1z s1wz s1uz yz1{ v1zt uw1{z xu1t tv1u z1vw y1uv s1z≠
| xu1x xw1{ wx1s s1vw s1vy z{1| t1wu tv1z {w1u tw1t y1zx u1su s1zx≠
ts xw1s xz1y wu1x s1vx s1vz {s1x p t1xy t|1x |w1y t|1y y1|t u1w| t1zs≠
tt us1w ut1t tu1y s1v{ s1v| xv1t t1|x ut1t {w1z ut1u w1ty v1sz t1|z≠
t1 素材 ~u !v !w !x !y代表压缩率 us h o热压时间 vs°¬±o树脂浓度分别为 x h ots h otx h ous h ows h ~z !{ !| !ts !tt代表压缩率 xs h o热压
时间 ys°¬±o树脂浓度分别为 x h ots h otx h ous h ows h ∀t1≤²±·µ²¯ ou !v !w !x !y ¤µ¨ µ¨³¯¤¦¨§µ¨¶³¨¦·¬√¨¯¼ ¥¼·«¨ ¦²°³µ¨¶¶¬²± ¶¨·¬¶us h o«²·
³µ¨¶¶·¬°¨¬¶vs°¬±o°ƒ µ¨¶¬± ¦²±¦¨±·µ¤·¬²± ¤µ¨ x h ots h otx h ous h ows h µ¨¶³¨¦·¬√¨ ¼¯ ~z !{ !| !ts !tt ¤µ¨ µ¨³¯¤¦¨§µ¨¶³¨¦·¬√¨ ¼¯ ¥¼·«¨ ¦²°³µ¨¶¶¬²±
¶¨·¬¶xs h o«²·³µ¨¶¶·¬°¨¬¶ys°¬±o°ƒ µ¨¶¬± ¦²±¦¨±·µ¤·¬²± ¤µ¨ x h ots h otx h ous h ows h µ¨¶³¨¦·¬√¨ ¼¯ q
图 v 顺纹抗压强度 o抗弯强度k ’• l o抗弯弹性模量 o硬度与压缩率 !树脂浓度之间的关系
ƒ¬ª1v ׫¨ µ¨ ¤¯·¬²±¶«¬³¥¨·º¨ ±¨ º²²§¶·µ¨±ª·«¤±§µ¨¶¬± ¦²±¦¨±·µ¤·¬²± ¤±§¦²°³µ¨¶¶¬²± ¶¨·
) σ ) 树脂浓度 s h • ¶¨¬± ¦²±¦¨±·µ¤·¬²±s h ~) υ ) 树脂浓度 x h • ¶¨¬± ¦²±¦¨±·µ¤·¬²±x h ~
) 3 ) 树脂浓度 ts h • ¶¨¬± ¦²±¦¨±·µ¤·¬²±ts h ~) ≅ ) 树脂浓度 tx h • ¶¨¬± ¦²±¦¨±·µ¤·¬²±tx h ~
) Ξ ) 树脂浓度 us h • ¶¨¬± ¦²±¦¨±·µ¤·¬²±us h q
|zt 第 w期 刘君良等 }酚醛树脂处理杨树木材物理力学性能测试
3 结论
利用 ÷ p射线测定密度法测得杨木素材的最高密度为 xus®ª#°v o最低密度为 vts ®ª#°pv o平均密度
为 v|w ®ª#°pv o该密度值与称重法测得的密度值相一致 ∀从测试结果看 o随着压缩率的增加 o木材的密
度值明显增大 ∀当压缩率为 us h时 o距表层 u ∗ w °°范围内 o木材密度值较高 o其值约 x{| ®ª#°pv o最低
密度为 vzy ®ª#°pv o平均密度为 wyv ®ª#°pv o同素材相比提高 tz qx h ∀当压缩率为 xs h时 o最高密度为
twus ®ª#°pv o最低密度为 zus ®ª#°pv o平均密度为 tt{s ®ª#°pv o同素材相比 o木材密度提高近 u倍 ∀ °ƒ
预聚物处理 o木材材色同素材相比 o黄蓝轴色品指数 Β3 增大 o孟塞尔色空间的色调标号值为 | qzv≠• o比
素材高 tv1{ h o说明压密材材色向黄转变 o但转变幅度不大 ∀
随着 °ƒ预聚物处理浓度的增加 o木材的顺纹抗压强度增加 o当树脂浓度为 us h时 o其顺纹抗压强
度增加 zx qu h ∀随着压缩率的增加 o木材顺纹抗压强度明显增大 o当压缩率为 xs h时 o其顺纹抗压强度
几乎增加一倍 ∀对抗弯强度和抗弯弹性模量来说 o不论树脂浓度多少 o其强度值均有些下降 o但下降幅
度不大 ∀随着压缩率的增高 o抗弯强度和抗弯弹性模量增大 ∀当树脂浓度为 ts h o压缩率为 us h时 o抗
弯强度增加 vv1x h o弹性模量增加 | qu h ∀当压缩率为 xs h时 o抗弯强度增加 tsx q{ h o弹性模量增加
wv1{ h ∀°ƒ预聚物处理压密材 o随着压缩率的增加 o表面硬度增大 ∀当压缩率为 us h时 o表面硬度增加
t1x倍 o当压缩率为 xs h时 o表面硬度增加近 v倍 ∀
参 考 文 献
方桂珍 o李 坚 o刘一星 q三聚氰胺 p甲醛与木材的交联作用 q林业科学 ot||z ovvkvl }uxu ∗ ux{
方桂珍 o刘一星 q低分子量 ƒ树脂固定杨木压缩木回弹技术研究 q木材工业 ot||y otskwl }t{ ∗ ut
井上雅文 o则元京 q软质针叶树材 Ν表面层压密化处理k第 ´ µ ¶报l q木材学会志 ot||s ovykttl }|y| ∗ |zx ~t||t ovzkvl }uuz ∗ uws
井上雅文 o尾行重行 q¤ ¬ } ¶树脂初期缩合物含浸处理材 Ν寸法安定性 q力学性质 q ∗ η Σ耐光性 q木材学会志 ot||v ov|kul }t{t ∗ t{|
李 坚编著 q木材科学 q哈尔滨 }东北林业大学出版社 ot||w
刘君良 o刘一星 q杨木 !柳杉表面压密材的研究 q吉林林学院学报 ot||{ otwkul }ut ∗ uw
王婉华 o尹思慈 q木材液相乙酰化的研究 q南京林产工业学院学报 ot|{t ow }vv ∗ wt
尤纪雪 o金重为 q马尾松酚醛树脂改性研究 q南京林业大学学报 ot|{{ ou }ys ∗ yw
余权英 o谭向华 q木材氰已基化改性研究 q林产化学与工业 ot||x otxkwl }vt ∗ vz
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